[发明专利]一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法

说明书

本发明涉及一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法，属于金属基梯度复合材料制备领域。该铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成。本发明设备结构简单、操作维修方便、适用范围广，能够批量工业化生产结构/功能可调功能梯度复合材料，增强相的含量从中心向表面沿径向呈梯度增加，尺寸均匀、分布连续、梯度可控，与基体匹配度高，本发明的制备方法工艺流程短、生产效率高、材料结构/功能可设计性强。

技术领域

本发明属于金属基梯度复合材料制备领域，具体涉及一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法。

技术背景

功能梯度复合材料是通过选择具有不同功能的材料，利用特殊的制备方法连续地改变材料的组成和结构，从而得到功能随结构变化而渐变的新型非均质复合材料。陶瓷/金属功能梯度复合材料作为目前应用最广泛的功能梯度复合材料，既具有陶瓷的硬度高、耐腐蚀和耐高温的特性，同时还具有金属优良的导电和导热性能，以及强度高和韧性好等特性，改善了传统陶瓷/金属复合材料在两相界面上存在的物理性能失配等问题。利用原位自生法制备的陶瓷/金属功能梯度复合材料界面洁净、结合良好，颗粒分布均匀可控，可制备大尺寸、复杂结构构件。因此，可广泛应用于飞机机体、涡轮叶片和燃烧室内壁，切削工具、轴承、防弹装甲和起落架等结构件。

自1984年日本学者首次提出功能梯度复合材料的概念后，世界各国学者先后开发了多种制备方法，主要有气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、粉末冶金法、激光熔覆合成法和离心铸造法等。上述制备方法普遍存在制备工艺复杂、效率低、成本高、材料性能不稳定等问题。电磁分离法是一种新型功能梯度复合材料制备方法，具有制备工艺简单、成本低等优点。其基本原理是基于金属熔体与陶瓷增强相导电性的差异，利用高频磁场产生的电磁力控制增强相在熔体中的迁移和分布来实现陶瓷/金属功能梯度复合材料的制备。现有电磁分离法制备过程通常为：将熔融金属液浇入已预热且缠绕感应线圈的铸型内，通过底部冷却控制凝固过程，同时利用高频磁场控制增强相的迁移制备原位结晶的金属基功能梯度复合材料，该过程仍然存在以下问题：

(1)利用高频磁场进行原位自生金属基功能梯度复合材料制备时，由于增强相的形成、迁移及复合材料的凝固过程均在同一个铸型内同时进行，一方面，铸型内冷却不均匀易导致自生增强相析出不充分或尺寸不均匀；另一方面，在控制增强相迁移时无法避免电磁感应加热的作用，易导致已凝固复合材料熔化而破坏梯度复合材料的连续性。

(2)现有电磁分离法制备金属基功能梯度复合材料采用传统模壳铸造技术，制备过程中需分别进行合金的熔炼、浇注、复合材料制备等工艺，制备流程长且只能实现单件制备，制备过程不连续、效率较低。

因此，在电磁分离法的基础上开发一种增强相尺寸均匀、沿径向分布连续、梯度可控，工艺连续流程短、高效的径向功能梯度复合材料铸造设备及制备新方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明将制备功能梯度复合材料的电磁分离法与连铸成形原理相结合，构成一种电磁分离功能梯度复合材料连铸技术。通过在传统连铸设备控制凝固的装置前端设计电磁分离流道，在传统电磁分离法的基础上，将增强相形成及迁移过程与功能梯度复合材料凝固过程分离。利用高频磁场对金属熔体的加热作用对金属熔体温度进行控制，实现增强相形成控制；利用高频磁场对增强相的电磁力作用对增强相在熔体中分布进行调控，最终得到增强相沿径向呈梯度分布的金属熔体。同时，该方法将连铸的思想引入电磁分离法中，使增强相沿径向呈梯度分布的金属熔体在铸型及冷却装置作用下连续凝固，最终得到径向功能梯度复合材料。

本发明的目的在于提供一种径向功能梯度复合材料铸造设备及方法，解决传统电磁分离法存在的增强相尺寸不均匀、分布不连续，制备流程长、过程不连续以及效率较低等缺点。

根据本发明的第一方面，提供一种径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成，